5. Dem bo wiec ka S. - Ocena potencjału wartości geologicznych zasobów rud miedzi. 1983.
6. D e m b o w i e c k a S., B i a ł a c z e w s k i A. -Projekt zmiany zasad określania kryteriów dla usta-lania zasobów geologicznych i ich klasyfikacja. Ref. wrzesień 1983.
7. Dem bo wiec ka S., Biała cze wski A.
-Wpływ kryteriów bilansowości i klasyfikacji zasobów na gospodarkę złożem. Oprac. dla CUG, marzec 1983. 8. I n ter n at i o n a 1 Classification of Minerał
Re-sourses. Min. Mag. 1979 no. 6.
9. Jurkiewicz o w a W. - Klasyfikacja zasobów su-rowców mineralnych w przygotowanym projekcie Ko-mitetu Zasobów Naturalnych ONZ. Prz. Geol. 1981 nr 2.
10. N ie ć M. - Geologia kopalniania. Wyd. Geol. 1982.
11. P a w 1 a k J. - Problemy kryteriów bilansowości za-sobów kopalin na tle założeń reformy gospodarczej. Ref. na Kolegium CUG, luty 1983.
12. Petr as che ck W.E. - International Classification of Minerał Resources. Min. Mag. 1979 no. 3. 13. Ro 1 a górnictwa miedzi w aktualnej sytuacji
spo-łeczno-gospodarczej kraju. Ref. na VI Krajowy Zjazd Górniczy 1982.
14. Uchwał a Rady Ministrów nr 66 z dnia 4 IV 1975 w sprawie określania obowiązków inwestorów w za-kresie ustalania zasobów złóż kopalin przed podję ciem działalności inwestycyjnej związanej z eksploata-cją złoża lub jej przeróbką. MP 12/1975.
15. W o ł od kie w i cz Z. - Rozwój światowych za-sobów miedzi. Rudy Metale 1981 nr 6.
16. Wytyczne określania kryteriów bilansowości za-sobów geologicznych złóż kopalin stałych. CUG 1976.
BARBARA PENKALA Politechnika Warszawska
STOSOWANIE KRUSZYW NATURALNYCH W BUDOWNICTWIE
Nastawienie w Polsce budownictwa, a zwłaszcza bu-downictwa mieszkaniowego na formę przemysłową, w której podstawę stanowią prefabrykowane elementy beto-nowe spowodowało ogromne zapotrzebowanie w zakresie ilości cementów i kruszyw. Spowodowało to pogorszenie jakości cementów oraz potrzebę uruchomienia nowych złóż surowców skalnych do produkcji kruszyw do betonów, które stały się głównym materiałem w budownictwie obec-nej doby. Zarys stosowania kruszyw w budownictwie ściśle się łączy z jakością produkowanych w Polsce cementów, a zwłaszcza z ilością zawartych w nich alkaliów, jak rów-nież z ilością i rodzajem dodatków stosowanych bądź to w celu zwiększenia masy cementu, bądź ze względu na za-gospodarowanie odpadów przemysłowych. Obecnie na rynek trafiają nie czyste cementy portlandzkie o ustalo-nym składzie chemicznym, lecz cementy mieszane. Przejście na produkcję cementów mieszanych, wysokoalkalicznych wymagało przeprowadzenia badań możliwości stosowania
różnego rodzaju kruszyw do betonów oraz określenia ich wrażliwości na działanie alkaliów zaczynu cementowego. Badania reakcji zachodzących w betonie pomiędzy al-kaliami a kruszywem i ich wpływu na zachowanie się be-tonów prowadzone są w Instytucie Technologii i Organiza-cji ProdukOrganiza-cji Budowlanej na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem autorki od 1968 r. Z placówką tą współpracują inne jednostki nauko-we: Instytut Geologiczny, Centralny Ośrodek Badawczo--Rozwojowy Przemysłu Kruszyw Budowlanych, Instytut Techniki Budowlanej, Politechnika Świętokrzyska, Mia-stoprojekt Lublin i CEBFT.
Zakres prowadzonych prac był bardzo szeroki gdyż obejmował:
- opracowanie nowych metod badań i adaptację me-tod stosowanych w USA i Kanadzie,
- opracowanie propozycji nowych kryteriów oceny przydatności do betonów kruszyw ze skał węglanowych (15),
- wyjaśnienie wpływu składników chemicznych i mi-neralogicznych kruszyw na ich zachowanie się w beto-nach (17),
- wskazanie możliwości zmmeJszenia ekspansji be-tonów wykonanych z reaktywnymi kruszywami
węgla-nowymi (7). ·
Przebadano szczegółowo ponad 20 złóż różnych su-surowców skalnych pod względem ich przydatności do betonów oraz 11 złóż naturalnych kruszyw żwirowych.
Badania te miały na celu wytypowanie złóż skał węgla
nowych wapieni i dolomitów do produkcji kruszywa ła manego do betonów, co pozwoliło na uruchomienie kilku zakładów produkcyjnych (10). W małym zakresie były
również prowadzone badania piaskowców (17). Urucho-mienie zakładu produkcyjnego kruszywa chalcedonito-wego ze złoża w Teofilowie k. Inowłodza było również poprzedzone badaniami, które wykazały, że kruszywo to może być stosowane do betonów, ale z cementami nisko-alkalicznymi (8). Badania żwirów naturalnych przeprowa-dzone w latach 1974-77 wykazały, że żwiry Niżu Pol-skiego są reaktywne i nie mogą być stosowane do beto-nów z cementami wysokoalkalicznymi (18). Do niedawna stosowanie kruszyw żwirowych do betonów nie budziło
zastrzeżeń, gdyż produkowane w Polsce cementy były w przeważającej większości niskoalkaliczne, tj. zawierały alkalia (Na20+KzO) w ilości mniejszej od 0,6% (11).
ZAWARTOŚĆ ALKALIÓW W CEMENTACH Obserwowany w ostatnich latach wzrost ilości alka-liów w cementach (21) jest związany ze zmianą technologii produkcji cementów oraz dodawaniem do klinkieru py-łów lotnych i żużli, zawierających alkalia.
W krótkich piecach starych konstrukcji, pracujących
metodą mokrą i suchą bez urządzeń odpylających, 50 -60% alkaliów było emitowanych z pyłami do atmosfery. Po-dobnie piece długie bez elektrofiltrów dawały klinkier o niskiej zawartości alkaliów. Ze względu na ochronę środowiska wprowadzono obecnie urządzenia odpylają ce. W nowoczesnych piecach krótkich pracujących metodą suchą, wyposażonych w zewnętrzne fluidalne wymienniki ciepła i wstępne dekarbonizatory, przy całkowitym zwro-cie pyłów z elektrofiltrów, w klinkierze pozostaje do
80% alkaliów. Zawartość ich w klinkierze waha się obecnie od 0,7 do 1,2% obliczeniowego Na20. Ponieważ wśród alkaliów w naszych cementach występuje o wiele więcej potasu niż sodu - suma alkaliów może osiągać wartości bardzo wysokie, jak np. suma alkaliów w cemencie Nowi-ny Il wynosi 1,80%, co w przeliczeniu na Na20 stanowi 1,29% (tab.).
Przeprowadzone szczegółowe badania 5 cementów port-landzkich „350", odpowiadających wymaganiom normy PN-74/B-30 OOO wykazały, że suma alkaliów w 4 cemen-tach (tab.) zamykała się w granicach 1,03-1,80%. Ce-ment „Chełm" do niedawna o małej ilości alkaliów
zawie-rał ich O, 79%. Zawartość alkaliów, głównie potasu, roz-puszczalnych w wodzie w temperaturze 100°C była bar-dzo wysoka dla cementu „Nowiny II" i wynosiła 1,30 -1,47%, dla cementu „Saturn" była niższa 0,88-0,92%.
Pozostałe cementy zawierały stosunkowo mało rozpusz-czalnych alkaliów - 0,22 - 0,56%. Zawartość alkaliów nie-rozpuszczalnych była bardzo niska w cemencie „Nowi-ny Il" - 0,21-0,33%. W pozostałych cementach nie-rozpuszczalnych alkaliów było dwukrotnie więcej.
W cemencie „Chełm" alkalia nierozpuszczalne
sta-nowiły ponad 2/3 wszystkich alkaliów. Jednakże, jak stwierdzono, wchodzą one w reakcje jedynie z pewnym opóźnieniem (ok. 1-2 miesięcy) (18). Alkalia nieroz-puszczalne występują w klinkierze głównie w postaci NC11A4 i KC23S12
*
wówczas, gdy surowce lub paliwo zawierają małe ilości siarki. Przy większych ilościach siarki alkalia przechodzą w podwójne sole siarczanowe z układupotrójnego CaS04 -K2S04 -Na2S04 (6). Alkalia są
wpro-wadzane do surowcowej mieszaniny do produkcji cementu wraz z surowcami ilastymi zawierającymi illity i skalenie.
Powstałe w procesie spiekania związki zawierające alkalia
wpływają na procesy wiązania i twardnienia cementu oraz
są źródłem alkaliów.
Nie można jednak zrezygnować z przechodzenia na
produkcję cementów metodą suchą, gdyż jest ona eko-nomiczniejsza ze względu na mniejsze zużycie paliwa.
Również wymogi ochrony środowiska zmuszają do stoso-wania elektrofiltrów. Wyjściem z sytuacji jest częściowe
bocznikowanie pyłów tak, żeby można było uzyskać ce-ment o niższej zawartości alkaliów.
Pyły z elektrofiltrów, ze względu na ich skład mine-ralny, dużą zawartość potasu i węglanu wapnia oraz drob-ne uziarnienie mogą stanowić pełnowartościowy produkt do wapniowania i nawożenia potasowego gleb. Próby ta-kie są prowadzone z powodzeniem w St. Zj. (6).
REAKCJE ZACHODZĄCE W BETONIE
MIĘDZY ALKALIAMI ZACZYNU CEMENTOWEGO
A SKŁADNIKAMI KRUSZYWA
Stwierdzono występowanie dwóch rodzajów reakcji między alkaliami zaczynu cementowego a niektórymi składnikami kruszywa (16). Reakcje te wywierają szkodli-we działanie na beton i mogą spowodować obniżenie jego
wytrzymałości a nawet doprowadzić do jego uszkodzeń.
1. Reakcja między rozpuszczalną, tzw. aktywną krzemionką a alkaliami
Krzemionka występuje w skałach w postaci kwarcu, chalcedonu, opalu, rzadziej trydymitu i krystobalitu. Kwarc tylko· powierzchniowo w niewielkim stopniu ulega dzia-łaniu alkaliów, co nawet polepsza przyczepność ziarn kwarcu do zaczynu cementowego. Chalcedon zbudowany z włóknistego lub mikrokrystalicznego kwarcu jest już mniej odporny na działanie alkaliów. Trydymit i krysto-balit są wysokotemperaturowymi odmianami krystalicz-nej krzemionki i w normalnych warunkach nie są stabilne, ulegają więc działaniu alkaliów. Opal jako amorficzna forma krzemionki jest bardzo wrażliwy na działanie al-kaliów. W pewnych przypadkach (5) wystarcza, żeby kru-szywo zawierało 1 % opalu i reakcja ma przebieg niebez-pieczny dla betonów. Aktywna krzemionka w formie opalu występuje w piaskowcach o lepiszczu krzemion-kowym, w wapieniach zsylifikowanych porowatych i zbi-tych. Może również być obecna w skałach magmowych wylewnych zawierających szkliwo, jak również w produk-tach wietrzenia krżemianów.
ZAWARTOŚĆ ALKALIÓW W 5 CEMENTACH PORTLANDZKICH „350"
Zawartość alkalii w %
Nr
rozpuszczalnych w HCl rozpuszczalnych w H20 nierozpuszczalnych w H20
Cement prób- w temp. 100° w temp. 100°
ki
Na, O+ suma w Na, O+ suma w Na20+
suma w Na20
Kp
+kp przeł. na Na20 K20 +kp przeł. na Na20
Kp
+Kp przeł. naNap Na20 Na20 Portl. „350" „Nowiny II" 1 0,30 1,21 1,51 0,98 0,30 1,00 1,30 0,89
o
0,21 0,21 0,14 „ 2 0,56 1,24 1,80 1,29 0,42 1,05 1,47 1,04 0,14 0,19 0,33 0,25 Portl. „350" „Saturn" 1 0,30 1,00 1,30 0,89 0,30 0,58 0,88 0,64o
0,42 0,42 0,28 „ 2 0,56 1,01 1,57 1,15 0,36 0,56 0,92 0,69 0,20 0,45 0,65 0,46 Portl. „350" „Chełm" 1 0,31 0,48 0,79 0,63 0,008" 0,22 0,228 0,153 0,302 0,26 0,562 0,473 Portl. „350" „Groszowice" 1 0,38 0,65 1,03 0,808 0,10 0,28 0,38 0,285 0,28 0,37 0,65 0,523 Portl. „350" „Grodziec" 1 0,25 0,96 1,21 0,882 0,10 0,46 0,56 0,403 0,15 0,50 0,65 0,479 Współczynnik przeliczeniowyKp
na Na20 = 0,659Krzemionka aktywna (20) tworzy z alkaliami
kom-pleksowy koloidalny związek uwodnionego krzemianu
alkaliów, który może pobierać znaczne ilości wody,
wsku-tek czego pęcznieje aż do przejścia w stan ciekły. Następ
stwem tego jest powstawanie wycieków i naskorupień
koloidalnej krzemionki na powierzchniach betonów oraz
odprysków i ubytków, jak również pęcznienia, deformacji
i uszkodzeń betonów. Z czasem tracąc wodę krzemian
alkaliów tworzy na powierzchniach białe naloty i wykwity.
Wskutek wyciekania krzemianu alkaliów zostaje osłabio
na struktura betonu, ziarna reaktywnego kruszywa
zawie-rającego krzemionkę stają się porowate i pęcznieją, co
powoduje obniżenie wytrzymałości betonu (18).
Przy stosowaniu cementU o małej zawartości alkaliów
może powstać w betonie potrójny, uwodniony związek
kompleksowy wapniowego krzemianu alkaliów, który ma
ograniczoną zdolność pęcznienia (20). Związek ten tworzy
na powierzchniach ziarn reaktywnego kruszywa ochronną
warstewkę i zapobiega wydzielaniu się z nich krzemionki.
Jednakże, żeby zaszła reakcja bezpieczna musi być
zacho-wany w betonie odpowiedni stosunek Ca O: Na20. W
okre-sie kiedy produkowane w Polsce cementy były
niskoalka-liczne w betonach z kruszywami reaktywnymi nie
ujawnia-ła się reakcja alkalia - krzemionka i np. żwiry Niżu
Pol-skiego były szeroko stosowane jako pełnowartościowe
kru-szywo do betonów. W przypadku stosowania cementów
wysokoalkalicznych żwiry Niżu Polskiego okazały się
kruszywem reaktywnym (11). Reakcja
alkalia-krzemion-ka ujawnia się szybko w betonach i już po miesiącu lub
dwóch zaczynają występować jej objawy (11). Naparzanie
elementów betonowych przyspiesza ujawnienie się reakcji.
Najczęściej po roku przebywania betonów w \\Jarunkach
dużej wilgotności środowiska, reakcja dobiega końca.
W warunkach suchego środowiska reakcja przebiega
bar-dzo powoli i może nie ujawniać się. Jednakże zmiana śro
dowiska na wilgotne natychmiast uruchamia reakcję i to
w sposób niebezpieczny dla betonu (20). 2. Reakcja dedolomityzacji
W niektórych skałach węglanowych: dolomitach i
wa-pieniach dolomitycznych, jak również w piaskowcach
fliszu karpackiego, występuje dolomit, który pod
dzia-łaniem alkaliów ulega rozkładowi.
Reakcja wg D.W. Jfadleya (3) i J.E. Gillota (2) ma
przebieg następujący:
CaMg(C03)2
+
2NaOH ~ Mg(OH)2+
CaC03+
Na2C03Powstający w reakcji węglan sodu reaguje z produkta-mi hydratacji cementu
Na2C03
+
Ca(OH)2 = CaC03+
2NaOHNastępuje regeneracja alkaliów, co pozwala na
kon-tynuację reakcji z dolomitem, aż do całkowitego
wyczer-pania się dolomitu lub unieruchomienia alkaliów
wsku-tek reakcji ubocznych. Tworzący się w reakcji CaC03
powoduje karbonizację uwodnionego glinianu wapnia w
zaczynie w strefie przyziarnowej. Reakcje te wywołują
zmiany składu i struktury ziarn kruszywa, ich pęcznienie·
oraz powstawanie stref reakcyjnych w zaczynie i
kruszy-wie. Wskutek tego następuje naruszenie struktury betonu,
powstawanie w nim mikrorys i spękań (22). Na przebieg
i stopień nasilenia reakcji w betonie wpływa ilość alkaliów
zawartych w cemencie, stopień reaktywności kruszywa,
wymiary jego ziarn oraz temperatura i wilgotność środo
wiska. Stopień reaktywności kruszywa zależy od jego
struktury i tekstury, składu mineralnego - ilości
zawar-tego w skale dolo.mitu i substancji ilastych (16). Reakcja
dedolomityzacji w normalnych warunkach przebiega
po-woli i może się ujawnić dopiero po kilkunastu latach, co
jest szczególnie niebezpieczne dla konstrukcji betonowych. RODZAJE KRUSZYW STOSOWANYCH
OBECNIE W BUDOWNICTWIE
Z uwagi na ostry deficyt w ostatnim dziesięcioleciu
uległ znacznemu rozszerzeniu asortyment produkowanych
kruszyw. Z naturalnych kruszyw żwirowych są stosowane
do betonów kruszywa Niżu Polskiego oraz żwiry
dolno-śląskie i podkarpackie. Coraz częściej jednak napływają
informacje o niekorzystnych zjawiskach występujących
w betonach wykonanych ze żwirów Niżu Polskiego i
ce-mentów wysokoalkalicznych (12).
Coraz szersze zastosowanie mają kruszywa łamane
otrzymywane z wapieni i dolomitów rejonu kieleckiego i śląskiego, odznaczające się małą wrażliwością na
dzia-łanie alkaliów. Eksploatowane dla potrzeb rejonu łódz
kiego jest złoże chalcedonitu w Teofilowie koło Inowło
dza. Kruszywa do betonów dostarczają piaskowce fliszowe
okręgu bieszczadzkiego. Do dyspozycji budownictwa są złoża bazaltów na Dolnym Śląsku, których stosowanie do betonów z cementami wysokoalkalicznymi wymaga
jed-nak przeprowadzenia szczegółowych badań. Stwierdzono
bowiem na podstawie badań wstępnych (9), że ziarna
oliwinu występujące w bazaltach jako prakryształy
ule-gają rozkładowi pod działaniem alkaliów zaczynu
cemen-towego. Produkty rozkładu wędrują do zaczynu a na
miejsce rozłożonego oliwinu wchodzą składniki zaczynu.
W procesie tym uwalnia się aktywna krzemionka, która
wchodzi w reakcję z alkaliami. Na granicy ziarn kruszywa
bazaltowego powstają zmiany składu fazowego oraz rysy
i mikroszczeliny, co osłabia strukturę betonu (tab., ryc: 1).
Kruszywo granitowe z okręgu Dolnego Śląska jest
stosowane w budownictwie w małym zakresie. Zwiększe
nie jego produkcji wymaga uruchomienia nowych złóż
oraz zbadania zachowania się kruszyw granitowych w
be-tonach z. cementami wysokoalkalicznymi. Nowa sytuacja
w przemyśle cementowym, powodująca produkowanie
ce-mentów wysokoalkalicznych, wymaga wielkiej ostrożności
zarówno przy uruchamianiu produkcji kruszyw do
beto-nów z nowych złóż, jak również przy stosowaniu kruszyw
ze złóż już eksploatowanych. Dotychczasowe, dobre
za-chowanie się kruszyw w betonach z cementami
niskoalka-licznymi nie gwarantuje ich zadowalającego zachowania
się w betonach z cementami wysokoalkalicznymi, czego
przykładem są żwiry Niżu Polskiego (19).
ZA CHOW ANIE SIĘ BETONÓW
Z NATURALNYMI KRUSZYWAMI ŻWIROWYMI
I CEMENTAMI WYSOKOALKALICZNYMI
Badaniami objęto 10 złóż żwirów Niżu Polskiego oraz
żwir z Krzyżanowic z okolic Opola (18). Skład
petrogra-ficzny kruszyw Niżu Polskiego był bardzo zróżnicowany.
Występowały w nim skały magmowe: granity, porfiry,
dia-bazy i melafiry, skały przeobrażone: gnejsy i kwarcyty,
skały osadowe: wapienie zbite, piaskowce, krzemienie,
lidyty (w grupie południowej), zsylifikowane wapienie
porowate - opoki i czerty. Skałami reaktywnymi, tj.
wrażliwymi w wysokim stopniu na działanie alkaliów
oka-zały się piaskowce o lepiszczu krzemionkowym, czerty,
opoki, krzemienie i w mniejszym stopniu, lecz również
w nadmiernym niektóre wapienie. Żwir z Krzyżanowic
zawierał znaczną ilość piaskowców glaukonitowych o
alka-liów oraz niewielką ilość lignitu, rozkładającego się pod
wpływem alkaliów (19).
Betoey wykonane z badanych kruszyw Niżu Polskie-go, przechowywane w warunkach dużego zawilgocenia wykazały obecność odprysków mikrorys, nacieków, wy-kwitów i naskorupień. Niektóre beleczki uległy zwichro-waniu, wystąpiły spękania i uszkodzenia (tab., ryc. 1 -6). Beleczki wykonane z cementami wysokoalkalicznymi, „Sa-turn" i „Nowiny II", wykazały wzrost wymiarów
prze-kraczający kilkakrotnie górną granicę wzrostu wymia-rów ustaloną dla tych warunków w normach ASTM-C-33 i C-342 na 0,2% (ryc. 1, 2). Beleczki betonowe z kruszy-wami „Bielinek" i „Drawsko" z cementem „Saturn", a z cementem „Nowiny II" z kruszywami „Bielinek", „Krzywólka" i „Bzurze" wykazały nadmierny wzrost wy-miarów, lecz niewiele przekraczający wartość 0,3%. Kru-szywo „Zadworzany" z cementem „Nowiny II" wykazało mały wzrost wymiarów, natomiast z cementem „Saturn" wzrost wymiarów dla tego kruszywa wynosił ok. 0,47%: Beleczki betonowe wykonane z cementem „Chełm" dla 6 kruszyw wykazały mały wzrost wymiarów O, 1 %. Dla pozostałych 4 kruszyw wzrost wymiarów był większy i do-chodził lub przekraczał 0,3% (ryc. 1). Wzrost wymiarów beleczek betonowych przy zastosowaniu cementów „Sa-turn" i „Nowiny" był szybki i po upływie 1 roku nie osiągnął wartości maksymalnych. Natomiast dla cementu „Chełm" był powolny i po roku osiągnięty został stan równowa-gi. Beleczki wykonane z cementami wysokoalkalicznymi „Grodziec" i „Groszowice" (tab.) z kruszywem
„Krzy-żanowice" przechowywane w warunkach silnego zawilgo-cenia (metoda 1) i w wodzie (metoda 2) wykazały niewielki wzrost wymiarów, nie przekraczający O, 1 %, co wskazuje,
że jest to kruszywo tylko słabo reaktywne. Wszystkie be-leczki betonowe przechowywane w warunkach powietrz-no-suchych wykazały skurcz, lecz o wartościach nieco mniejszych od wartości uzyskiwanych dla kruszyw
nie-Ryc. J. Wykres zmian liniowych beleczek betonowych wykonanych przy użyciu cementów portlandzkich „350" Saturn ( S) i „ Chełm"
( C) oraz kruszywa drobnego ze złóż Niżu Polskiego: Rybaki (I), Bielinek ( 2), Sobolewo ( 3), Zadworzany ( 4), Drawsko ( 5), Bzu-rze (6), Żabiny (7), Halinów (8), Rydwan (9), Stobiecko (JO).
reaktywnych.
Betony wykonane z kruszywem grubym z cementem „ Chełm" po 28 dniach przechowywania w temp. 20°C
wykazały wytrzymałość na ściskanie niższą od projekto-wanej 3 - 22%, z cementem „Saturn" od 5 - 33%. Tylko betony z kruszywem „Zadworzany" wykazały dla oby-dwóch niewielki wzrost wytrzymałości wynoszący 1-4%. Próbki betonowe z cementem „Chełm", przechowywane w komorze w temp. 40° i bardzo dużej wilgotności,
wy-kazały po 360 dniach dla wszystkich kruszyw wzrost
wy-trzymałości w stosunku do R28• Uzyskiwane
wytrzyma-łości na zginanie dla betonów z badanymi kruszywami są
zgodne z przeciętnie uzyskiwanymi, również współczyn
niki sprężystości tych betonów nie odbiegają od wartości
uzyskiwanych w praktyce.
Jak wykazały przeprowadzone badania wszystkie zba-dane kruszywa żwirowe pochodzące z Niżu Polskiego wy-kazują wrażliwość na działanie alkaliów. W betonie za-chodzi reakcja pomiędzy aktywną krzemionką zawartą
w niektórych ziarnach występujących w badanych kru-szywach a alkaliami zaczynu cementowego. Natomiast nie zaobserwowano reakcji pomiędzy dolomitem a alka-liami. Szczególnie niekorzystne jest zachowanie się beto-nów wykonanych z cementami wysokoalkalicznymi prze-chowywanymi w warunkach silnego zawilgocenia. Zacho-wanie się betonów z cementem „Chełm", o najmńiejszej
zawartości alkaliów, wykazuje, że do betonów z kruszy-wami żwirowymi Niżu Polskiego należy stosować cementy niskoalkaliczne, zawierające alkalia obliczone jako
równo-ważnik wagowy Na20, w ilości nie większej niż 0,6/0 • W przypadku użycia do betonów z kruszywem Niżu Pol-skiego cementów o wyższej zawartości alkaliów należy dodawać do kruszywa żwirowego kruszywa niereaktywne-go w ilości 25 - 75%, zależnie od ilości alkaliów występu
jących w cemencie oraz stopnia reaktywności kruszywa (10). % w&"'°'<:i zmian liniow.,,c:h Q9 +---+---4~+--+-~~-+-~~~-r-~--:==~ 9 12 i~ mic•cv
Ryc. 2. Wykres zmian liniowych beleczek betonowych wykonanych przy użyciu cementu portlandzkiego „350" Nowiny II oraz
ZACHOWANIE SIĘ WAPIENI I DOLOMITÓW
W ŚRODOWISKU ALKALIÓW I W BETONIE
Badaniami objęte były wapienie ze złóż Morawica,
Jaźwica, Karwów, Górażdże - Borsuki, wapienie dolomi-towe ze złóż Radkowice, Laskowa, Tęcza, Ublinek, wa-pienie zsylifikowane ze złóż Piechcin, Trawniki i Karsy, dolomity ze złóż Korzecko, Zachełmie, Tęcza, Ublinek, Brzeziny, Nowa Wioska.
Badania podatności wymienionych skał na działanie
alkaliów wykazały (17), że dolomit z Zachełmia jest skałą reaktywną, nieprzydatną do produkcji kruszyw do beto-nów. Wapień z Piechcina, dolomit z Brzezin mogą być sto-sowane do produkcji kruszywa do betonów pod warun-kiem użycia do nich cementu niskoalkalicznego, gdyż
w złożach tych wśród warstw słabo reaktywnych wystę pują warstwy materiału reaktywnego. Wapieniami z Piech-cina przydatnymi do produkcji kruszyw do betonów są
tylko te, które zawierają do 10% krzemionki. Wapień ze złoża Borsuki może być stosowany do betonów nie podda-wanych obróbce cieplnej. Wapienie zsylifikowane z Traw-nik oraz z Kars są wysokoreaktywne (13, 1, 14). Pozostałe złoża zawierają materiał mało wrażliwy na działanie al-kaliów i ich zachowanie się w betonach jest zadowalające.
Na ryc. 4 przedstawiono średnie wartości zmian linio-wych w środowisku alkaliów próbek niereaktywnego wa-pienia ze złoża Morawica, próbek z dwóch różnych warstw wysoko reaktywnego dolomitu ze złoża Zachełmie (próbki z trzeciej warstwy po 4 miesiącach. uległy rozpadowi) oraz próbek z jednej warstwy reaktywnego piaskowca ze złoża w Komańczy. Próbki z innych warstw tego złoża były
słabo reaktywne. Według ASTM-C 586 dopuszczalne zwięk szenie wymiarów po 1 roku przebywania próbek w śro
dowisku alkaliów nie powinno przekraczać O, 1
%.
Na podstawie badań własnych i literatury zagranicznej
tt'o warłoKi zmilin linic>Mjch
Ryc. 3. Wykres zmian liniowych beleczek betonowych wykonanych przy użyciu cementów portlandzkich „350" Grodziec i Groszowice
oraz kruszywa drobnego z Krzyżanowic (okolice Opola).
(16), stwierdzono, że niereaktywne są wapienie zawiera-jące małe ilości dolomitu i substancji ilastych. Największą
reaktywność wykazują wapienie i wapienie dolomitowe o strukturze zwięzłej, bardzo drobnoziarnistej, zawiera-jące ok. 50% dolomitu, tkwiącego w formie pojedynczych
romboedrów w drobnoziarnistej masie kalcytu, o zawar-tości ponad 2% substancji ilastych.
Wapienie zsylifikowane zwięzłe i porowate, zawiera-jące ·ponad 10% krzemionki są reaktywne. Reaktywność dolomitów zależy od ich uziarnienia. Im większe wymiary ziarn tym są one mniej reaktywne. Dolomit z Zachełmia,
wysokoreaktywny miał strukturę bardzo drobnoziarnistą
i zawierał substancje ilaste. Dolomit z Nowej Wioski jest zbudowany z dużych ziarn dolomitu i nie wykazuje
reaktywności.
ZACHOWANIE SIĘ SKAŁ KRZEMIONKOWYCH
I PIASKOWCÓW W ŚRODOWISKU ALKALIÓW I W BETONACH
Ze skał krzemionkowych badaniami odporności na
działanie alkaliów objęto dolomit ze złoża Leszczawka (17, 18), chalcedonit ż Teofilowa oraz odłamki opok, czert, krzemieni i lidytów występujących w żwirach Niżu Pubil..tc.:go. Uo1011m L Lt:~Ll.:La \\ k.1 ok.aLał ~ą: wysoko-reaktywny. Próbki w środowisku alkaliów już po 2 ty-godniach uległy rozpadowi. Chalcedonit z Teofilowa za-wierał dwie odmiany skały: słabo reaktywną, zbitą oraz
porowatą - zawierającą substancje ilaste o znacznej reak-tywności (8). Ponieważ odmiany zbitej było znacznie wię cej kruszywo oceniono jako przydatne do betonów wy-konanych z cementami niskoalkalicznymi.
Jak wykazały badania (18) próbki czert i opok ulegają rozpadowi w środowisku alkaliów, a w betonach wyka-zują pęcznienie i spękania oraz powodują powstawanie wycieków wskutek dyfuzji krzemionki do zaczynu i powsta-wania w nim uwodnionego krzemianu alkaliów. Stopień reaktywności krzemieni i lidytów zależy od ich struktury formy w jakiej występuje w nich krzemionka (18, 5). Z piaskowców fliszowych podkarpackich zbadano skały
-
_.
1
ilośćnUes.9cy
--·-Ryc. 4. Wykres zmian liniowych w ·roztworze alkaliów
prostopa-dłościanów wyciętych z wapienia Morawica ( J), dolomitu z
Ryc. 5. Mikrofotografia próbki betonu z kruszywem bazaltowym wykonana za pomocą mikroskopu elektronowego ( Compo pow. 100 x ). Widoczne ziarna kruszywa bazaltowego z licznymi
we-wnętrznymi mikroszczelinami o~az szczelinami oddzielającymi je od zaczynu cementowego.
i betony wykonane z kruszyw pochodzących ze złóż Osie-lec, Komańcza, Bóbrka, Poniwiec i Straconka. Piaskowce fliszowe jako spoiwo zawierały dolomit z domieszką sub-stancji ilastych. Piaskowiec z Komańczy jest reaktywny, a zwłaszcza jedna z jego warstw. Kruszywo z tego pias-kowca działa niekorzystnie na betony z cementami wyso-koalkalicznymi. W ziarnach kruszywa obserwuje się
roz-luźnienie struktury, w zaczynie cementowym powstają
szerokie strefy reakcyjne, jak również mikrorysy i mikro-szczeliny. Piaskowiec z Bóbrki jest reaktywny, lecz w mniej-szym stopniu niż piaskowiec z Komańczy. Piaskowiec z Osielec jest słabo reaktywny i może być stosowany do produkcji kruszywa do betonów. Piaskowiec ze złoża
Poniwiec ma spoiwo kalcytowo-dolomitowe, z domieszką
substancji ilastych. Jest słabo ekspansywny i może być
stosowany do produkcji kruszyw do betonów. Piasko-wiec ze Straconki, o spoiwie krzemionkowo-węglanowo
-dolomitowym z domieszką substancji ilastych, jest reak-tywny. Jako kruszywo wywołuje zmiany w betonach z ce-mentami wysokoalkalicznymi i sam ulega zmianom.
Na podstawie uzyskanych wyników badań można stwierdzić, że piaskowce fliszowe podkarpackie, ze wzglę
du na występujące w nich spoiwo węglanowo-dolomitowe
i zawartość substancji ilastych, są podatne na działanie
alkaliów. Przydatność ich do betonów jest warunkowana stopniem ich reaktywności i rodzajem stosowanego ce-mentu. Uruchamianie nowych złóż tych piaskowców wy-maga przeprowadzenia badań sprawdzających.
Piaskowce o lepis.zczu krzemionkowym występujące
w żwirach Niżu Polskiego (18) zarówno zwięzłe, jak i po-rowate są wrażliwe na działanie alkaliów. Ich obecność
powoduje powstawanie objawów reaktywności, przy sto-sowaniu ich jako kruszyw do betonów z cementami wysoko-alkalicznymi. Pod działaniem alkaliów zaczynu nastę
puje dyfuzja krzemionki w strefę reakcyjną w zaczynie,
powstają zmiany w ziarnach kruszywa oraz wycieki, na-skorupienia i odpryski na powierzchniach hetonów.
Na-Ryc. 6. Powierzchnie beleczek betonowych z kruszywem ze złóż
Halinów (J, 2), Żabiny (3), Rydwan (4, 5) oraz z cementami portlandzkimi „350" Nowiny II (J, 3, 5) i Saturn (2, 4). Pow. 2 x.
łożone na betony z objawami reakcji alkalia-krzemionka tynki mogą wykazywać, zwłaszcza w pierwszym roku odpryski, ubytki i spękania (12). Piaskowce kwarcytowe
kwarcyty są w małym stopniu reaktywne. PODSUMOWANIE
Prowadzone badania wykazały, że prawie wszystkie
skały są w jakimś stopniu podatne na działanie alkaliów. Niewielka reaktywność kruszyw jest korzystna dla beto-nów, gdyż reakcje zachodzące na styku ziarn kruszywa
powodują lepsze ich powiązanie z zaczynem, jak np. w przypadku ziarn kwarcu lub wapieni. Decydujące znacze-nie w przypadku kruszyw reaktywnych ma ilość alkaliów zawartych w cementach użytych do betonów oraz warunki w jakich przebywa beton. W warunkach powietrzno--suchych reakcje alkalia- kruszywo nie ujawniają się, gdyż przebieg ich jest bardzo powolny. Podniesienie tem-peratury otoczenia i obróbka termiczna przyspieszają
reakcje zachodzące w betonie, zwłaszcza w przypadku reakcji alkalia - krzemionka. Stosowanie kruszyw reak-tywnych do betonów wymaga użycia do nich cementu niskoalkalicznego, zawierającego poniżej 0,6% alkaliów (w przeliczeniu na Na20). Ilość użytego do betonów ce-mentu musi być tak obliczona, żeby całkowita zawartość
alkaliów nie przekraczała 3 kg w 1 m3 betonu. Do
beto-nów z kruszywem słabo reaktywnym można stosować
cementy średnioalkaliczne o zawartości alkaliów do 0,8% (w przeliczeniu na Na20). Do betonów z kruszywem niereaktywnym można stosować również cementy wy-so koalkaliczne (7).
Dodatek kruszywa niereaktywnego do reaktywnego zabezpiecza betony przed uszkodzeniem w przypadku uży cia do nich cementów wysokoalkalicznych. Ilość tego dodatku zależy od stopnia reaktywności kruszywa i od ilości zawartych w cemencie alkaliów. Dodatek pucolany
lub bardzo drobno zmielonego piąsku kwarcowego w ilości
ok.
10%
wpływa korzystnie na beton w przypadku, gdyzachodzić w nim może reakcja alkalia - krzemionka (20).
Dodatek do
8%
pyłów węglanowych (bez substancjiilastych) do betonów z kruszywem z wapieni poprawia
jego właściwości wówczas, gdy w betonie zachodzi reakcja
między dolomitem zawartym w wapieniu a alkaliami
zaczynu cementowego (17).
Stosowanie kruszyw do betonów wymaga obecnie
dobrego rozeznania ich jakości. Informacja, że dane
kru-szywo odpowiada normom jest niewystarczająca.
Obo-wiązujące w Polsce normy nie uwzględniają wymagań
co do podatności kruszyw na działanie alkaliów zaczynu
cementowego. Podobnie wymagania dla cementów nie
za-wierają ograniczenia ilości zawartych w nich alkaliów.
W stosunku do odpowiedzialnych konstrukcji należy
za-chować specjalną ostrożność przy wyborze materiałów
do betonów oraz dobrać odpowiednio współczynnik
bez-pieczeństwa.
W Polsce istnieje duża różnorodność złóż materiałów
kamiennych sypkich i ilastych, o różnym stopniu
reaktyw-ności, co pozwala na racjonalny wybór. Nie wszystkie
produkowane u nas cementy powinny być
wysokoalka-liczne i w najbliższej przyszłości sprawa ta musi być właści
wie uregulowana. Produkcja betonów metodami przemysło
wyn11 stawia bowiem nowe wymagania, którym trzeba się
będzie podporządkować .. Właściwości kruszyw, jako
ma-teriału naturalnego ukształtowanego w określonych
pro-cesach geologicznych nie możemy zmienić. łv'ożna jedynie
częściowo eliminować jego wady. Natomiast produkcja
cevientu jest procesem technologicznym, zależnym od
człowieka, możemy ją więc tak ustawić, aby otrzymać
produkt najbardziej przydatny do stosowania w obecnym budownictwie. Asortyment produkowanych cementów
po-winien uwzględniać „czysty" cement portlandzki o niskiej
zawartości alkaliów. Inne kraje (St. Zj., ZSRR) produkują
·takie cementy (16). Należy nowelizować normy dla
ce-mentów i kruszyw oraz wprowadzić odpowiednie
wyma-gania, co do ilości zawartych w cementach alkaliów oraz
dopuszczalnej reaktywności kruszyw.
LITERATURA
1. Ciach T.D., Pe n ka 1 a B., Z as u ń H. -·
Za-chowanie się w betonie kruszywa z wapienia z Trawnik
zawierającego aktywną krzemionkę. Mat. XIX Konf.
Nauk. Kom. Inż. PAN i Kom. Nauki PZITB -
Kry-nica 1973.
2. G i 11 ot J.E. - Mechanism and kinetics of expansion
in the alkali carbonate rock reaction. Res. Paper 1964
nr 222, NRC Canada 8040.
3. Ha d 1 e y D.W. - Alkaly reactivity. of carbonate
rock expansion and dedolomitisation. Proc. DRB
1961 no. 40.
4. Kurd owski W., Błach S. - Własności
ce-mentów polskich w porównaniu z cementami świato
wymi na tle wymagań normowych. Cement -
Wapno-Gips 1978 nr 6.
5. Loch er T.W., Spr u n g S. - Ursache und
Wir-kungweise der Alkali Reachion. Beton 1973 nr 7 /8.
6. M e h t a P .K. - Energia, zasoby surowcowe i
ochro-na środowiska - przegląd sytuacji przemysłu
cemen-towego w USA. Cement - Wapno - Gips 1979 nr 6.
7. P e n k a 1 a B. - Zagadnienie zmniejszenia ekspansji
betonów z reaktywnym kruszywem ze skał
węgla11;0-wych. Ibidem 1974 nr 10.
8. P e n k a 1 a B. - Ocena chalcedonitu z Inowłodza
jako surowca do produkcji kruszywa do betonów.
Ibidem 1975 nr 4.
9. P e n k a I a B. - Badania przydatności bazaltu jako
kruszywa do betonów ITiOPB PW, ll}ateriały niepubl.
1976.
1 O. P e n k a 1 a B. - Reakcje zachodzące w betonie mię
dzy alkaliami a kruszywem. Mat. Konf. Nauk. Wydz.
Inż. Ląd. PW, referat 1977.
11. Pe n ka 1 a B. - Wpływ ilości zawartych w
cemen-tach alkaliów na zachowanie się betonów z kruszyw
żwirowych. Cement-Wapno-Gips 1978 nr 6.
12. Pe n ka 1 a B. - Analiza przyczyn uszkodzenia
struk-tury betonu oraz ocena jego przydatności w
kon-strukcji ITiOPB, PW, spraw. w maszynopisie 1979.
13. Pe n ka 1 a B., Gań ska - Wysocka W., Z
a-s u ń H. - Badanie przydatności zsilifikowanego
wa-pienia z Trawnik do produkcji kruszywa do betonów.
Prace ITiOPB, PW 1973 nr 5.
14. Penkala B., Gańska-Wysocka W.,
Za-s u ń H. - Ocena własności betonów wykonanych
z lekkiego wapienia zsilifikowanego. Ibidem 1975
nr 9.
15. Pe n kal a B., Pi as ta J. - Nowe kryteria
okre-ślania przydatności skał węglanowych do produkcji
kruszyw do betonów. Cement-Wapno-Gips 1970
nr 1, 2, 4.
16. Pe n ka 1 a B., Pi as ta J. - Wpływ środowisk
alkalicznych na wapienie ze złoża Morawica. Ibidem
1971 nr 11.
17. P e n k a 1 a B. (z zespołem) - Wpływ składników
chemicznych i mineralogicznych (związki siarki,
do-lomitu, minerałów ilastych, związków organicznych)
w wapieniach, wapieniach dolomitowych, dolomitach
i piaskowcach na ich przydatność do produkcji kruszyw
przeznaczonych do betonów konstrukcyjnych. Spraw.
w maszynopisie, ITiOPB, PW, 1974-76.
18. Pe n ka 1 a B. (z zespołem) - Ocena jakości oraz
przydatności do betonów kruszyw naturalnych obszaru
Niżu Polskiego w zależności od ich składu
petrogra-ficznego. Spraw. w maszynopisie. Ibidem 1974-1977.
19. Pe n ka 1 a B. (z zespołem) - Badanie reaktywności
i zdolności do ekspansji skał i betonów oraz wpływu słabej agresji chemicznej na betony. Spraw. w
maszy-nopisie. Ibidem 1978.
20. Po wers T.C., Stein o ur N.H. - An
interpreta-tion of some published researches on the alkali-aggre-gate reaction. Part I - The chemical reaction and
mechanism of expansion. Part II - A hypothesis
concerning safe and unsafe reaction with reactive
silica in concrete J.Y. ACY 1955 nr 6 i 8.
21. Red akcja „Cement- Wapno-Gips" - Niektóre
zagadnienia związane z zawartością alkaliów w
klin-kierze i dopuszczalną ich zawartością w cemencie.
CWT 1978 nr 6.
22. Swe n son F.G., G i 11 ot J.E. - Alkali reactivity
of dolomitic limestone aggregate. Mag. of Concrete
Research 1967 nr 59.
SUMMARY
The question of the use of various types of artificial aggregates of carbonate and siliceous rocks and sand-stones, and natura! aggregates in the building industry in Poland is discussed with reference to the Authoress's data and those published in the literature. Some recent changes in technology of production of cement in the country resulted in marked increase in content of alkali in portland cements and, therefore, alkali reactivity of the above mentioned artificial and natura! aggregates.
